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1 TÚNEL URBANO DE LA RUTA ESTATAL 99 (SEATTLE, ESTADOS UNIDOS). MÉTODOS DE ESTIMACIÓN DE ASIENTOS Y MEDIDAS DE MITIGACIÓN DE DAÑOS. Autores: Alejandro Romero (1) y Carlos Herranz (1) (1) Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Empresa: Intecsa-Inarsa, S.A. (Madrid, España). Palabras clave: Seattle, Túnel SR 99, Alaskan Way, AWV, BNSF, Adit, EPB, Presión en el frente, Asientos, FLAC 3D , Small-Strain, Mohr-Coulomb Alejandro Romero Esteban: [email protected] / Teléf. +34 645 974 853 Carlos Herranz Calvo: [email protected]

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TÚNEL URBANO DE LA RUTA ESTATAL 99 (SEATTLE, ESTADOS UNIDOS). MÉTODOS DE ESTIMACIÓN DE ASIENTOS Y MEDIDAS DE MITIGACIÓN DE DAÑOS.

Autores: Alejandro Romero(1) y Carlos Herranz(1)

(1) Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Empresa: Intecsa-Inarsa, S.A. (Madrid, España).

Palabras clave: Seattle, Túnel SR 99, Alaskan Way, AWV, BNSF, Adit, EPB, Presión en el frente, Asientos, FLAC3D,

Small-Strain, Mohr-Coulomb

Alejandro Romero Esteban: [email protected] / Teléf. +34 645 974 853

Carlos Herranz Calvo: [email protected]

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1 INTRODUCCIÓN

Mediante este texto describiremos de manera detallada, las medidas de mitigación de asientos más significativas que

constituyen el diseño del túnel urbano de la Ruta Estatal 99 (Túnel SR 99), el cual discurrirá íntegramente bajo el distrito

financiero de la ciudad de Seattle, en Estados Unidos. Cuando finalice la construcción en el año 2015, este túnel, de

17,5 m de diámetro y 3,46 Km de longitud, se convertirá en el de mayor diámetro hasta la fecha.

(Vista panorámica del distrito financiero de Seattle, en Estados Unidos. Zona de puerto)

La segunda parte del artículo se centra en el análisis numérico realizado para caracterizar el paso de la tuneladora bajo

las estructuras más representativas y vulnerables situadas sobre el trazado del túnel SR 99. Concretamente, se

estudiará el paso del túnel bajo el viaducto Alaskan Way (AWV), y bajo los túneles Burlington Northern Santa Fe (BNSF)

y Pike Street Adit, suponiendo que la tuneladora trabaja en condiciones normales de operación.

El programa de cálculo utilizado para el análisis es FLAC3D (Fast Lagrangian Analysis of Continua), una de las

herramientas más sofisticadas y precisas del mercado. Este programa permite la modelización tridimensional de suelos

y otros materiales estructurales de acuerdo a leyes constitutivas elásticas, viscoelásticas o elastoviscoplásticas. De esta

manera es posible estudiar la contribución de cada elemento en la consecución final del equilibrio.

2 ANTECEDENTES

Ante la creciente necesidad de la ciudad de Seattle de eliminar el viaducto Alaskan Way (AWV), severamente dañado

por el terremoto Nisqually que sacudió la ciudad en 2001, el Departamento de Transportes del Estado de Washington

(WSDOT), junto a la Administración Federal de Carreteras (FHWA), proponen la construcción de un nuevo túnel urbano,

para adaptarse así a las actuales demandas del sistema de transporte local. Mediante la eliminación del viaducto se

recuperará la zona portuaria de la ciudad, generando un espacio urbano más accesible para los ciudadanos y de mayor

calidad paisajística.

En este contexto nace el túnel urbano de la Ruta Estatal 99 (SR 99) bajo los cimientos de Seattle. Sus 17’5 m de

diámetro, necesarios para albergar dos niveles de circulación de dos carriles cada uno, harán de este túnel uno de los

mayores del mundo. El refuerzo estructural del túnel se materializa mediante un anillo de dovelas prefabricadas de

hormigón armado de 60 cm de espesor.

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En diciembre de 2010, el consorcio de empresas Dragados USA-Tutor Perini Corp (Seattle Tunnel Partners), resulta

adjudicatario del proyecto íntegro de diseño y construcción del túnel SR 99, el cual debería estar operativo a finales de

2015. El motivo principal de tal adjudicación fue el tratamiento propuesto para caracterizar el paso bajo el viaducto y

bajo ciertos edificios existentes, que permitió la optimización económica de la oferta.

En relación al diseño, la consultora española de servicios de ingeniería Intecsa-Inarsa, parte integrante del equipo

liderado por HNTB Corporation, fue designada para analizar y resolver algunos de los aspectos más críticos y

singulares del proyecto, que son: (a) estimación de las subsidencias inducidas por la tuneladora y (b) implementación

de medidas de mitigación de asientos, en caso de que las afecciones sobre las estructuras superficiales no resulten

admisibles.

Las propiedades geotécnicas de los suelos de Seattle, las condiciones hidrogeológicas de la zona, la mínima

profundidad de excavación en los tramos iniciales del túnel y la necesidad de limitar los asientos generados durante el

proceso de excavación, decantaron la elección hacia un sistema de perforación con TBM del tipo EPB (Earth Pressure

Balance Tunnel Boring Machine), que opera mediante la aplicación continuada de una presión de tierras en el frente del

túnel. Así mismo, la posibilidad de inyectar lodos bentoníticos por la coraza e introducir un compuesto bicomponente en

cola, permite minimizar las pérdidas de volumen derivadas de la conicidad del escudo, de la entrada de tierras en la

cabeza de la tuneladora y por el “gap” de cola.

3 DESCRIPCIÓN GEOLÓGICA Y PROPIEDADES GEOTÉCNICAS DE LOS MATERIALES

Perfil geológico

El trazado del túnel discurre en su mayor parte a través de formaciones glaciares e interglaciares (ESU 4 a 8). Estos

materiales, sobreconsolidados por el peso del hielo soportado durante las distintas glaciaciones, presentan un

comportamiento que podría definirse mediante un modelo constitutivo del tipo Small-Strain [3][4][5]. Este modelo se

aplica habitualmente a las arcillas de Londres (London Clay), materiales también sobreconsolidados, donde el efecto de

las pequeñas deformaciones ha sido intensamente estudiado [6]. Se incluye a continuación una pequeña descripción de

las distintas formaciones de materiales sobreconsolidados que se sitúan a lo largo del trazado del túnel:

• ESU 4 (Till Deposits): Mezcla densa y muy cohesiva de gravas, arenas, limos y arcillas.

• ESU 5: Arenas densas y gravas muy densas sin cohesión. Suelos granulares altamente permeables que, en zonas

con reducidas alturas de montera, podrían ocasionar problemas de flotación en el túnel.

• ESU 6: Arenas y gravas no cohesivas. Mezcla densa de limos, arenas y gravas. Suelos granulares inestables

durante la excavación, por lo que requieren de soporte inmediato.

• ESU 7: Limos y arcillas cohesivas de gran rigidez e impermeabilidad, en capas de pequeño espesor.

• ESU 8 (Till-like deposits): Mezcla densa y heterogénea de gravas, arenas y finos; con cohesión mínima.

Por encima de estas formaciones se sitúan los materiales más superficiales, rellenos antrópicos y materiales granulares

con mínima cohesión (ESU 1 a 3), normalmente consolidados por su deposición tras la última glaciación. Las

ecuaciones elasto-plásticas del modelo de comportamiento de Mohr-Coulomb se aplican a estas formaciones

normalmente consolidadas.

Parámetros geotécnicos

Los parámetros geotécnicos de diseño, utilizados para la estimación de asientos en superficie, se muestran en la

siguiente tabla:

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γγγγ (kg/m3) µ C` (ton/m2) Ф` (º) G - E (ton/m2) K0

ESU 1 (MC) 1,920 0.30 0.00 34 192 - 500 0.45

ESU 2 (MC) 1,920 0.30 0.00 34 192 - 500 0.45

ESU 3 (MC) 1,840 0.35 0.50 30 185 - 500 0.50

ESU 4 (SS) 2,320 0.35 15.00 40 No lineal 0.50

ESU 5 (SS) 2,080 0.35 0.00 39 No lineal 0.50

ESU 6 (SS) 2,080 0.35 0.00 39 No lineal 0.50

ESU 7 (SS) 1,920 0.35 6.40 25 No lineal 0.50

ESU 8 (SS) 2,320 0.35 3.16 40 No lineal 0.50

(Parámetros geotécnicos del terreno. ESU 1 a 3: Suelos normalmente consolidados - Modelo constitutivo de Mohr-Coulomb. ESU 4 a 8: Suelos sobreconsolidados - Modelo constitutivo del tipo Small-Strain)

Modelo constitutivo Small-Strain

Una de las principales ventajas de la aplicación de leyes de comportamiento del tipo Small-Strain (“pequeñas

deformaciones”), es que permite una estimación mucho más precisa de los desplazamientos del terreno por efecto de la

excavación del túnel, sobre todo cuando aumenta la distancia a la zona de influencia de la perforación.

En la fase elástica de la deformación, las leyes de comportamiento del tipo Small-Strain relacionan la variación del

módulo de elasticidad del suelo (E) con el nivel de deformación alcanzado. Estas leyes consideran que el módulo de

elasticidad varía entre su valor dinámico (máximo) (Ed), correspondiente al rango de pequeñas deformaciones, y su

valor estático (mínimo) (Ep), correspondiente al rango de grandes deformaciones. Dado que el coeficiente de Poisson

(µ) permanece constante, este comportamiento tensodeformacional no lineal, representado por un módulo de

elasticidad dependiente de la deformación, se traduce en un módulo cortante (Shear Modulus - G) y volumétrico (Bulk

Modulus - B) también variables. E se relaciona con B y G mediante las ecuaciones de la elasticidad.

Tras la fase elástica se produce el agotamiento del terreno. En ese caso se considera que el proceso de plastificación

viene gobernado por las ecuaciones elasto-plásticas de Mohr-Coulomb.

El módulo de deformación estático (Ep) se obtiene mediante ensayos presiométricos realizados sobre los materiales

sobreconsolidados, situados a lo largo de la futura alineación del túnel SR 99. Los valores obtenidos de Ep,

correspondientes a grandes deformaciones, se relacionan directamente con las profundidades de las muestras de

terreno ensayadas. Dado que a cada profundidad corresponde una determinada carga litostática efectiva (p’v), es

posible definir en cada punto un parámetro de variación del módulo de deformación estático con la profundidad (Ep/p’v).

El parámetro Eo/p’v (o lo que es lo mismo Ed/p’v) se obtiene asumiendo que este valor inicial, o máximo, correspondiente

a un rango de muy pequeñas deformaciones, es (Ep/p’v)*10; es decir, el valor dinámico es 10 veces superior al valor

estático. Los valores de Eo/p’v finalmente adoptados son:

• Eo/p’v =6.500 (ESU 4)

• Eo/p’v =2.700 (ESU 5)

• Eo/p’v =3.400 (ESU 6)

• Eo/p’v =4.800 (ESU 7)

• Eo/p’v =9.000 (ESU 8)

La degradación de la rigidez del terreno, en términos de módulo cortante (G) y deformación cortante (γs) en escala

logarítmica, podría definirse mediante una curva en S, tal y como se muestra en la siguiente figura:

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(Curva de degradación de la rigidez según modelo constitutivo Small-Strain, según Atkinson & Sallfors y Mair in Benz, D., 2007 [3])

Se asume que el mínimo nivel de desplazamientos para pasar a rango de grandes deformaciones es γs~1e-3. Valores

de deformación a corte inferiores a γs=1e-4, se asocian al rango de muy pequeñas deformaciones. La relación existente

entre las rigideces para grandes y pequeñas deformaciones es G/G0=0,1. En lo referente a la curva de degradación de

la rigidez del terreno según modelo constitutivo del tipo Small-Strain, los autores Santos y Correia (2001) [7] proponen

una expresión modificada del modelo de Hardin and Drnevich (1972) [8], según la expresión:

7,0

0 43,01

1

γγ+

=G

G

Donde γ0,7 representa la deformación a corte para el 30% de la reducción del módulo inicial (G0). Es decir, la

deformación correspondiente a G = 0,7×G0.

Coeficiente de empuje al reposo (K0)

Basándonos en experiencias similares en materiales sobreconsolidados excavados a poca profundidad y de acuerdo

con un análisis de sensibilidad realizado a este respecto, se demuestra que para estudiar las deformaciones inducidas

al terreno por efecto de la excavación del túnel, una reducción de K0 hasta 0,5, resulta en una estimación más realista

de la cubeta de asientos en superficie (Potts y Zdravkovic, 2001 [9]).

Por regla general, valores bajos de K0 representan un escenario conservador, pues se obtienen cubetas de asientos en

superficie más “picudas”; es decir, se generan mayores asientos sobre el eje de la perforación y mayores distorsiones

angulares a los lados.

4 MECANISMOS DE GENERACÓN DE ASIENTOS. ESTIMACIÓN DE ASIENTOS

La necesidad de mejorar las infraestructuras de transporte en entornos urbanos densamente poblados, ha llevado al

desarrollo de técnicas sofisticadas de análisis, vinculadas a la predicción de las deformaciones del terreno derivadas de

las excavaciones subterráneas, principalmente asientos en superficie. El estudio de las deformaciones del terreno

permite conocer el nivel de daños alcanzado por los edificios y demás estructuras situadas en las inmediaciones del

túnel. En caso de que estos daños superen los umbrales admisibles, deben definirse las medidas necesarias para su

mitigación.

El equipo de diseño del túnel SR 99, consciente de la importancia que tiene para el análisis la correcta estimación de

las deformaciones del terreno, se apoya en el concepto de pérdida de volumen en superficie para cuantificar, de forma

sencilla y con un adecuado grado de precisión, los asientos en superficie. Mediante el estudio de este parámetro en

fase de pre-análisis, es posible conocer los principales efectos que el paso de la tuneladora EPB puede tener en

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superficie: (a) estructuras afectadas por el paso de la EPB, (b) nivel de daños esperado, (c) zonas críticas a lo largo del

trazado, (d) definición de medidas secundarias de contención de asientos, etc.

El parámetro de pérdida de volumen en superficie (VL), conocido como “Volume Loss”, representa el volumen de la

cubeta de asientos por metro lineal (VS), expresado como un porcentaje del volumen teórico de la excavación del túnel

(A), también por metro lineal. Es decir:

A

VV S

L =(%)

Las pérdidas de volumen en superficie (VL) son el resultado de una amplia variedad de efectos, originados por los

movimientos del terreno que, en pleno proceso de desconfinamiento, se mueve hacia el interior de la perforación. El

valor del parámetro VL depende de las propiedades del terreno, de las condiciones hidrogeológicas de la zona, de la

geometría y profundidad de excavación y de los medios y métodos constructivos utilizados. Las pérdidas de volumen en

superficie se originan por activación de una serie de mecanismos, responsable cada uno de ellos de una parte de la

deformación:

VL = V1 + V2 + V3 + V4

Donde:

• El término V1 se asocia a los movimientos del terreno generados en el frente de excavación y por delante del

mismo; generalmente este término suele constituir el 10-20% de los asientos totales en superficie. La aplicación

de un valor adecuado de presión de tierras en el frente de la EPB permite reducir considerablemente el valor de

V1.

• El término V2 se asocia a las pérdidas de volumen derivadas de la conicidad del escudo de la tuneladora, que

produce movimientos del terreno hacia el interior de la perforación. Representa el 40-50% de los asientos

totales en superficie. Mediante la inyección de lodos bentoníticos a través del escudo se restringe el valor de

V2.

• El término V3 constituye las pérdidas de volumen inducidas por la diferencia de diámetros entre la cola del

escudo y la cara exterior del anillo de dovelas. El valor de V3 depende de las características y, sobre todo, de la

eficiencia del compuesto bicomponente inyectado en cola para rellenar el hueco.

• El término V4 incluye las pérdidas de volumen por compresión del anillo de dovelas y por asientos de

consolidación a largo plazo. Se estima que el 30-50% de los asientos en superficie se deben a V3+V4.

En una primera fase del análisis del túnel SR 99, se realizó una estimación del valor de VL a lo largo de todo el trazado

del túnel. Para ello, nos apoyamos en una formulación empírica basada en experiencias similares con EPB,

desarrollada basándose en el ratio C/D (siendo C la altura de montera en clave de túnel y D, el diámetro de excavación)

y en la naturaleza de los suelos, normalmente consolidados o sobreconsolidados. En esta fase se identificaron una

serie de puntos críticos sobre el trazado, tanto por la elevada vulnerabilidad de las estructuras superficiales situadas en

las inmediaciones del túnel, como por las pésimas condiciones en las que se realiza la excavación.

En una fase posterior de análisis, durante el estudio pormenorizado de los puntos singulares del trazado mediante

métodos numéricos FLAC3D, se pudo cuantificar de manera más precisa el valor de VL. Este estudio fue realizado para

conocer en detalle las deformaciones del terreno inducidas por el paso de la EPB para así, posteriormente, definir el

tratamiento de mitigación de asientos más adecuado.

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Los cálculos numéricos confirmaron la fiabilidad de la formulación empírica empleada para el cálculo de VL. Tal y como

era de esperar, dicha formulación constituye una estimación conservadora de los efectos que la excavación del túnel

pudiera tener en superficie.

5 PUNTOS SINGULARES DEL TRAZADO

En este apartado se describen los distintos sistemas estructurales propuestos por el equipo de diseño para posibilitar el

paso de la tuneladora EPB bajo las zonas del trazado identificadas como críticas:

(Trazado en planta del túnel SR 99. Resumen general de medidas de mitigación de asientos)

South End Settlement Mitigation Plan (SESMP) – ST 194+50 a ST 209+50

Ubicado en el primer tramo del trazado del túnel SR 99, en la boca de entrada sur, donde se registran las mínimas

alturas de montera del túnel y con el nivel freático situado casi en superficie. Se trata de un sistema constituido por

pilotes verticales de hormigón armado, de 28 MPa de resistencia característica a compresión simple (4.000 psi) y

de 1,5 m de diámetro, formando un cajón cerrado. Sobre estos pilotes se apoya una losa de 1,5 m de espesor para

impedir la flotación. El terreno situado entre el túnel y la losa, formado por rellenos antrópicos sin compactar, se

consolida mediante un tratamiento de Jet Grouting.

Este conjunto se concibe para limitar los asientos inducidos por el paso de la EPB junto al viaducto Alaskan Way

(AWV), que en este tramo discurre en paralelo al túnel a muy reducida distancia. La losa de flotación garantiza la

estabilidad del anillo de dovelas por empujes verticales del agua, que no pueden ser compensados debido al

escaso recubrimiento de terreno en clave.

Paso bajo el viaducto Alaskan Way (AWV) - ST 210+00 a ST 214+50

Tras atravesar el SESMP, el trazado en planta del túnel SR 99 cruza bajo el Alaskan Way (AWV), con un resguardo

muy reducido entre el túnel y la punta de los pilotes de cimentación del viaducto. Esta estructura, construida en los

años 50, fue severamente dañada por el terremoto Nisqually, sismo de magnitud 6,8 en la escala de Richter que

azotó Seattle en 2001. En consecuencia, las mínimas afecciones que sobre la estructura pudieran tener los

asientos diferenciales derivados de la excavación del túnel, podrían acarrear consecuencias desastrosas.

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Para garantizar el paso de la tuneladora EPB bajo el AWV, se definieron dos líneas principales de actuación: (a)

instalación de pantallas de micropilotes de acero alrededor de las cimentaciones y (b) refuerzo estructural previo de

las vigas del viaducto mediante elementos CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer).

(Vista general del viaducto Alaskan Way (AWV). Incluye refuerzos laterales de CFRP en vigas longitudinales)

El análisis numérico FLAC3D realizado para estudiar el paso del túnel SR 99 bajo el viaducto AWV, se tratará con

detalle en posteriores apartados.

Intervención Hiperbárica (Safe Haven #3) - ST 210+00

Esta actuación permite la inspección y el mantenimiento de la rueda de corte de la EPB durante el proceso de

excavación, antes de cruzar bajo el viaducto. Dado que se trata de una estructura altamente vulnerable, es

extremadamente importante comprobar que todos los útiles de excavación se encuentran en perfecto estado al

paso bajo el AWV, asegurando así que la tuneladora EPB trabajará en condiciones de excavación normales.

Debemos indicar que la intervención hiperbárica no constituye una medida de mitigación de asientos, se estudia

únicamente por su alta complejidad y singularidad.

Para garantizar que las operaciones se realizan en un entorno de trabajo seguro, se diseña el Safe Haven #3;

bloque de terreno mejorado de 6,4 m de espesor, construido con pilotes verticales de hormigón en masa de 90 cm

de diámetro, combinados con columnas inclinadas de Jet Grouting que se adaptan a las condiciones geométricas

de la zona.

Cuando la tuneladora EPB alcanza el bloque de terreno mejorado, ésta se retira ligeramente hacia atrás para

generar una cámara estanca entre la cabeza de corte de la EPB y el frente de excavación. La parte inferior de la

cámara queda rellena mediante una densa mezcla de terreno y bentonita (cake). Para impedir la entrada de agua

en la parte superior, concebida para permitir la entrada del personal técnico en tareas de supervisión y

mantenimiento, se inyecta aire comprimido a presión.

Impacto sobre edificios existentes

El diseño del túnel SR 99 incluye un estudio de las posibles influencias sobre los edificios más próximos al trazado.

El análisis de la interacción túnel-edificio y la evaluación del daño potencial sobre las edificaciones se realiza

siguiendo un proceso concebido en tres etapas (Fase Preliminar, fase Secundaria y fase de Detalle), basado en la

metodología empleada en la Jubilee Line de Londres, en la que los cálculos se vuelven gradualmente más

sofisticados y complejos a medida que avanzamos en el diseño.

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En las dos primeras etapas del análisis, se aplican métodos empíricos y analíticos (Clasificación de daños de

Boscardin y Cording (1989) [2], Modelo de la Viga Equivalente, etc), con el objetivo de determinar y distinguir los

edificios susceptibles de sufrir daños por encima de los límites admisibles. De esta manera se definen las medidas

de mitigación de asientos apropiadas exclusivamente para dichos edificios. En la última etapa, análisis de detalle,

se emplean modelos numéricos tridimensionales mucho más sofisticados.

En las primeras etapas de diseño se reconocen una serie de edificios con riesgo potencial de experimentar daños

por encima de los umbrales admisibles, cuatro de ellos próximos a la zona del pozo de ataque en la boca sur, y dos

próximos al pozo de extracción de la tuneladora en la boca norte. En el caso de los edificios cercanos al inicio del

túnel, tras una evaluación previa de alternativas, el equipo de diseño se decanta por un tratamiento de inyecciones

de compensación, ejecutadas desde tres pozos de 30 m de profundidad, desde los cuales se ejecutan las

inyecciones.

La definición de las características del tratamiento se realiza mediante un modelo FLAC3D, incluyendo el túnel, los

edificios en cuestión y el abanico de inyecciones diseñado. El modelo no solo permite simular la excavación

secuencial del túnel, sino también el proceso íntegro de inyección del terreno, que se ejecuta en dos fases: (a) fase

previa a la excavación del túnel (pre-tratamiento) y (b) fase de inyecciones simultáneas al paso de la EPB.

Finalmente, el cliente decidió no utilizar esta solución, decantándose por el refuerzo estructural de los edificios.

En las proximidades del pozo de extracción de la EPB, se identifican dos edificios que previsiblemente superarán el

umbral de daños admisible. Para protegerlos se propone la ejecución de pantallas inclinadas de micropilotes de

acero API N80, con objeto de generar una barrera física que limite la extensión de la cubeta de asientos. El estudio

de estas pantallas se lleva a cabo mediante un modelo numérico tridimensional, permitiendo evaluar el efecto

favorable de los micropilotes en la disminución de los movimientos del terreno en superficie.

Paso bajo túneles existentes: Burlington Northern Santa Fe (BNSF) y Pike Street Adit (Adit) - ST 239+50

En la parte central del trazado del túnel SR 99, la EPB pasa bajo el mítico túnel ferroviario Burlington Northern Santa Fe

y bajo el colector urbano Pike Street Adit, en un entorno litológico marcado por la presencia de suelos

sobreconsolidados bajo el nivel freático. El cruce en planta se produce exactamente en el ST 239+50. El túnel SR 99

cruza bajo el BNSF a una distancia de 26 m; mientras que bajo el Adit lo hace a tan solo 20 m. La montera de tierras

sobre la clave del SR 99 es de 58 m.

La construcción del BNSF data de 1905. Este antiguo túnel de ferrocarril se ejecutó siguiendo procedimientos de

minería tradicional tipo ‘Método Belga’. El espesor del revestimiento, ejecutado con hormigón en masa de 28 MPa de

resistencia a compresión (valor medido a finales de 1980), oscila entre los 60 y 140 cm. En la actualidad, esta

estructura se encuentra en buenas condiciones, su capacidad estructural no se ha visto mermada con los años.

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(Imagen de archivo. Construcción del túnel BNSF bajo el suelo de Seattle. Paso bajo 4th Avenue y James Street. Año 1903)

El colector urbano Pike Street Adit (Adit), estructura circular de hormigón armado con diámetro interior de 2,6 m y 30 cm

de espesor, fue construido en 1970. Las juntas verticales de construcción se sitúan a distancias variables de entre 12 y

15 m, con armaduras longitudinales no pasantes. Dado que la distribución de las armaduras transversales es

completamente desconocida, asumimos, del lado de la seguridad, que la capacidad estructural del túnel la marca el

propio hormigón en masa.

En apartados posteriores se describen las principales características y peculiaridades del modelo numérico desarrollado

para estudiar el paso de la EPB bajo los túneles BNSF y Adit.

6 MEDIDAS DE MITIGACIÓN DE ASIENTOS

Las principales medidas de mitigación de asientos en superficie se despliegan desde la propia EPB. La estrategia es

clara, incidir directamente en los principales mecanismos profundos responsables de los movimientos del terreno, que

se traducen a posteriori en asientos en superficie.

Asignación de presiones de trabajo

Las máquinas EPB operan mediante la aplicación continuada de una determinada presión de tierras en el frente de

excavación, para garantizar así su estabilidad. Este dato es fundamental para la correcta predicción de subsidencias en

superficie, por su elevada influencia en las deformaciones del terreno, principalmente en lo que respecta al término V1

definido anteriormente. El cálculo de las presiones de trabajo en cada zona, debe realizarse en base a las condiciones

previsibles de excavación en dicha zona. La presión de trabajo de la EPB se calcula en función de la altura del nivel

freático y de la presión de tierras estimada mediante la teoría de Protodyakonov. La influencia del valor de K0 en el

cálculo es también importante.

Por regla general, las presiones de trabajo generadas por una tuneladora del tipo EPB, se definen y controlan en la

clave de túnel, donde se sitúan los sensores de la máquina. Para conocer la presión en cualquier otro punto de la

cámara hiperbárica, se considera una distribución de presiones trapezoidal vertical, que varía según la densidad de la

mezcla terreno-bentonita. En el caso específico del túnel SR 99, la máquina EPB permite la medición de las presiones

en una serie de puntos situados a diferentes alturas. De esta manera se obtiene una precisión máxima en la medición

de las presiones de trabajo.

El modelo numérico FLAC3D incluye la aplicación de unas determinadas presiones de trabajo en el frente del túnel,

variables en función de las características de la zona en la que se sitúa la EPB.

Modelización de la inyección por coraza

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La forma más eficaz de considerar en el modelo FLAC3D el efecto de la inyección de bentonita a través del escudo de la

EPB, es reducir el espacio existente entre el perímetro de excavación y la coraza de la máquina (VHUECOS). Para ello,

considerando una eficiencia de la inyección de bentonita del 50% (VINY), incrementamos ‘ficticiamente’ en el modelo

numérico el volumen de la EPB (V’EPB), aplicando la siguiente expresión:

( )INYHUECOSEXCEPB VVVV 5.0' −−=

Donde, el término VEXC representa el volumen de excavación. Este volumen aparente de la EPB (V’EPB) se introduce en

el modelo 3D mediante el incremento del diámetro de la EPB en cabeza y cola.

7 ESTIMACIÓN DEL NIVEL DE DAÑOS

La estimación del nivel de daños en las estructuras se realiza en base al concepto de “Deformación Límite de Tracción”

(Limiting Tensile Strain), sobre todo cuando se analiza el paso de la tuneladora EPB bajo edificios y túneles existentes.

Esta metodología fue inicialmente propuesta por Burland y Wroth (1974) y posteriormente ampliada y mejorada por

Boscardin y Cording (1989).

En origen, Burland y Wroth (1974) [1] y Burland et al (1977) [10] definen el concepto de deformación límite de tracción,

para estudiar la aparición de fisuras en “vigas simples, sin peso, bajo modos de deformación del tipo arrufo y quebranto

(Sagging and Hogging modes)”. Esta sencilla aproximación da una idea clara de los mecanismos que generan las

fisuras en las estructuras sometidas a desplazamientos verticales impuestos por el terreno. No obstante, aunque este

parámetro constituye un indicador fundamental del nivel de daños, no representaría, necesariamente, un límite de

servicio de la estructura, pues las fisuras pueden ser controladas. Según los autores, la aparición de fisuras se observa

a partir de valores de deformación de entre 0,03% y 0,05%.

Posteriormente, en su afán por definir diferentes niveles de impacto sobre edificios, Boscardin y Cording desarrollan una

nueva clasificación de daños (1989) [2], la cual se basa también en el concepto de deformación de tracción. De acuerdo

con Boscardin y Cording, según se indica en la siguiente tabla, valores de deformación inferiores al 0,05% dan lugar a

un nivel de daños despreciable.

Grado de daño (Riesgo) Descripción del daño Ancho de fisura (mm) Deformación de tracción (%)

0 - Despreciable Fisuras despreciables. 0,1 a 1 Menor a 0,05

1 – Muy ligero Ligeras fisuras fácilmente tratables con elementos decorativos.

1 a 5 0,05 a 0,075

2 - Ligero Las fisuras pueden rellenarse con facilidad. Multitud de fisuras leves dentro del edificio. Fisuras exteriores visibles.

5 a 15 o un número de fisuras superior a 3

0,075 a 0,15

3 - Moderado Las fisuras deben ser saneadas. Las puertas y ventanas deben ser reforzadas.

15 a 25, pero también depende del número de fisuras

0,15 a 0,3

4 - Severo Reparaciones importantes, incluyendo la demolición de paramentos y muros. Vigas notablemente deformadas. Solados desnivelados.

Mayor a 25 (también depende del número de fisuras)

Mayor a 0,3

5 – Muy severo Reconstrucción parcial o total de la estructura. Riesgo de inestabilidad.

- -

(Nivel de daños, ancho de fisura y deformación de tracción asociada. Boscardin y Cording, 1989)

Aunque el criterio de “deformación límite de tracción” debe ser estrictamente aplicado a edificios, según indican los

propios autores, el estudio de este parámetro se ha utilizado para estimar el nivel de daños alcanzado por los túneles

BNSF y Adit, a causa de la excavación del SR 99. A tal conclusión se llega considerando que una estructura

longitudinal tipo túnel se comporta de manera similar a una viga simple bajo modos de deformación del tipo arrufo y

quebranto.

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12

8 CASOS PARTICULARES ANALIZADOS MEDIANTE MODELIZACIÓN NUMÉRICA FLAC3D

8.1 Modelo Constitutivo Small-Strain vs Mohr-Coulomb

El análisis del túnel SR 99 incluye un estudio de sensibilidad para conocer la influencia que los distintos modelos

constitutivos del terreno pudieran tener en los asientos en superficie. Este estudio se realiza a través del desarrollo de

una serie de modelos numéricos FLAC3D, en zonas con diferentes litologías y a distintas profundidades:

• DS 225+53: Altura de montera en clave de túnel 38 m. La excavación se realiza en materiales del tipo ESU 7.

• DS 235+93: Altura de montera en clave de túnel 53 m. La excavación se realiza en materiales del tipo ESU 4 y

7 (Parte superior), y ESU 5 (Parte inferior).

• DS 252+13: Altura de montera en clave de túnel 65 m. La excavación se realiza en materiales del tipo ESU 5,

alternando con capas horizontales de reducido espesor de materiales ESU 8.

Los diferentes modelos constitutivos asignados a los suelos sobreconsolidados (ESU 4 a 8), son:

• Mohr-Coulomb: Los materiales presentan un comportamiento tenso-deformacional lineal antes de la

plastificación. Para la elección de los parámetros elásticos G (módulo cortante) y B (módulo volumétrico) se

asume un porcentaje de deformación a corte del 0,35%.

• Small-Strain: Comportamiento tenso-deformacional no lineal en fase elástica.

Las principales conclusiones del estudio de sensibilidad, son:

• Las pérdidas de volumen en superficie (VL) correspondientes a un modelo constitutivo del tipo Small-Strain, se

sitúan en el rango de 0,26% - 0,28% del volumen teórico de excavación. El valor de VL asociado a un modelo

constitutivo del tipo Mohr-Coulomb, alcanza valores superiores, situándose entre el 0,38% y el 0,49%.

• La relación de pérdidas de volumen en superficie al comparar un modelo constitutivo del tipo Small-Strain con

uno de Mohr-Coulomb (Ratio VL S-S / VL M-C), se sitúa entre 0,57 y 0,71. Según vemos en la tabla anterior, cuanto

mayor es la profundidad de la perforación, menor es esta relación. Estos resultados son lógicos, pues un

modelo constitutivo del tipo Small-Strain hace depender la rigidez del terreno de su grado de deformación,

tomando valores máximos de rigidez, correspondientes al módulo de elasticidad dinámico (Ed), cuando nos

situamos en el rango de pequeñas deformaciones.

• La relación de pérdidas de sección transversal del túnel (VO) al comparar un modelo constitutivo del tipo Small-

Strain con uno de Mohr-Coulomb (Ratio VO S-S / VO M-C), se sitúa en torno a 0,95. Es decir, a cota de túnel, la

influencia del modelo constitutivo en las deformaciones, es mínima. El comportamiento elástico del terreno en

las inmediaciones de la perforación se define mediante el módulo de deformación estático (Ep), correspondiente

al rango de grandes deformaciones.

• El ratio VL/VO para modelo constitutivo del tipo Small-Strain, se sitúa alrededor de 0,42; mientras que este

mismo ratio, para modelo constitutivo del tipo Mohr-Coulomb, se incrementa hasta 0,64 – 0,71. Es decir,

cuando se asigna al terreno un modelo constitutivo del tipo Small-Strain, el porcentaje de deformación

generado en las inmediaciones del túnel y transmitido a las áreas más alejadas, es mínimo.

8.2 Paso de la EPB bajo los túneles existentes BNSF Y Adit

Introducción

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(Vista general del mítico Burlington Northern Santa Feoeste de Estados Unidos)

Describimos en este apartado los puntos

del túnel SR 99 bajo el túnel ferroviario

construcción del BNSF data de 1905, la del

como a la reducida distancia a la que

identificar las posibles afecciones sobre las estructuras existentes

en el que se estima el efecto que el paso de la EPB

(Modelo Numérico FLAC3D. Disposición geométrica del túnel SR 99 (gris), del BNSF (azul) y del Adit (rojo))

Caracterización de las juntas constructivas

La respuesta estructural del BNSF y Adit

constructivas. Éstas se modelizan numéricamente

darse el deslizamiento relativo entre bloques

mediante un modelo constitutivo Elasto-

(Vista general del mítico Burlington Northern Santa Fe (BNSF), a lo largo de su recorrido por la costa

los puntos más singulares de la modelización numérica utilizada

SR 99 bajo el túnel ferroviario Burlington Northern Santa Fe y bajo el colector urbano Pike Street Adit.

de 1905, la del túnel Adit de 1970. Debido a la alta vulnerabilidad de ambas estructuras, así

como a la reducida distancia a la que se cruzan los tres túneles, es necesario realizar un análisis

sobre las estructuras existentes. Para ello, se desarrolla un modelo numérico FLAC

el paso de la EPB, operando en condiciones normales, tiene

. Disposición geométrica del túnel SR

juntas constructivas

del BNSF y Adit depende en gran medida de la distribución y propiedades de

numéricamente mediante planos de discontinuidad (interfaces

entre bloques e, incluso, su separación. Las propiedades de

-plástico, donde el comportamiento elástico se caracteriza

13

utilizada para caracterizar el paso

el colector urbano Pike Street Adit. La

de 1970. Debido a la alta vulnerabilidad de ambas estructuras, así

necesario realizar un análisis exhaustivo para

se desarrolla un modelo numérico FLAC3D

tiene bajo la zona de cruce.

la distribución y propiedades de sus juntas

interfaces), en las que puede

. Las propiedades de las juntas se definen

se caracteriza por un valor de rigidez

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normal (KN) y otro de cortante (KS). Por otro lado, s

plastificación, caracterizada mediante un

junta se mantiene la fase elástica, a no ser

propiedades asignadas a las juntas de construcción

• Túnel BNSF: KN y KS ~1,15 e6 tn/m2/m

• Túnel Adit: KN y KS ~1,15 e6 tn/m2/m

Valores elevados de KN y KS coartan los desplazamientos

juntas por modos de deformación del tipo

lado de la seguridad, consideramos que dichas juntas no tienen capacidad

σn=0. En el caso del túnel Adit, las juntas constructivas son

de coacción de los desplazamientos transversales

(Modelo Numérico FLAC3D. Distribución de juntas enrevestimiento del túnel BNSF – Modelización de i

Influencia del proceso constructivo

Las condiciones tensodeformacionales

fundamentales para la correcta predicción de impactos.

incluye una fase previa de análisis, en la

construcción del túnel Adit, en 1970. La última fase del análisis la cons

cuestión.

Resultados del análisis

El objetivo del análisis realizado es asegurar que las

significativas sobre los túneles existentes

secundarias de mitigación de daños. Para

de los resultados de FLAC3D que mejor

“outputs” del programa son:

• Parámetros deformacionales: Desplazamientos

tracción y valores de convergencia

• Parámetros tensionales: Tensiones

• Grado de apertura de las juntas constructivas.

Por otro lado, si la adherencia en la dirección transversal se agota, se produce la

un parámetro de cohesión y otro de fricción (C y Ø). En

fase elástica, a no ser que las tensiones superen la máxima capacidad

propiedades asignadas a las juntas de construcción son:

/m, C= 0, σn= 0, Ø= 30º

/m, C=1,00 e6 tn/m2, σn= 0, Ø= 0º

los desplazamientos durante la fase elástica de la deformación

tipo arrufo y quebranto, depende del valor de σn asignad

que dichas juntas no tienen capacidad de asimilación de

las juntas constructivas son de expansión con llave de cortante. Para simular el efecto

desplazamientos transversales en fase de plastificación, asignamos un valor

Distribución de juntas en el Modelización de interfaces)

tensodeformacionales iniciales de los túneles BNSF y Adit, constituyen una de las claves

a correcta predicción de impactos. Por ello, en el proceso de modelización numérica FLAC

en la que se simula la construcción del túnel BNSF en el año 1905

, en 1970. La última fase del análisis la constituye el paso de la EPB bajo lo

es asegurar que las operaciones primarias de la EPB

túneles existentes. En caso contrario, sería necesaria la implementación de medidas

Para la consecución de estos objetivos es de vital importancia

mejor describan la respuesta estructural de los túneles analizados

Parámetros deformacionales: Desplazamientos (totales y diferenciales), distorsiones angulares,

del revestimiento.

principales (σ1 y σ3) en el revestimiento.

juntas constructivas.

14

dirección transversal se agota, se produce la

En la dirección normal a la

máxima capacidad de tracción (σn). Las

durante la fase elástica de la deformación. La apertura de las

asignado a las interfaces. Del

de asimilación de tracciones y por tanto

xpansión con llave de cortante. Para simular el efecto

un valor elevado de cohesión.

, constituyen una de las claves

modelización numérica FLAC3D se

en el año 1905 y la posterior

tituye el paso de la EPB bajo los dos túneles en

la EPB no causan afecciones

la implementación de medidas

es de vital importancia la correcta elección

los túneles analizados. Los principales

(totales y diferenciales), distorsiones angulares, deformaciones de

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• Pérdidas de volumen en superficie (Volume Loss

Dado que la respuesta del sistema está íntimamente relacionada con e

las distintas posiciones de la máquina al paso bajo la zona de cruce.

desplazamientos verticales máximos del revestimiento de

de WSDOT que establecen: Nivel de alerta 19 mm y

angulares alcanzadas cumplen los requisitos de

explotación de la vía (BNSF Engineering Instructions Field Manual

mantener las condiciones de servicio de la vía, garantizando el paso seguro de los trenes a una velocidad máxima

autorizada de 90 mph, se especifican desviaciones verticales máximas de los carriles

de 1/312, en sentido transversal.

A continuación se muestra el efecto que el avance de la EPB

revestimiento del BNSF.

(Modelo FLAC3D. Paso de EPB bajo zona de cruce

(Modelo FLAC3D. Paso de EPB bajo zona de cruce,

(Volume Loss - VL) y pérdidas de sección transversal a nivel de

Dado que la respuesta del sistema está íntimamente relacionada con el movimiento de avance de la EPB, s

al paso bajo la zona de cruce. El análisis FLAC3D del BNSF

del revestimiento de 14 mm; por lo tanto, se cumplen los requerimientos de diseño

Nivel de alerta 19 mm y nivel máximo 25 mm. Por su parte, l

cumplen los requisitos de diseño tanto de WSDOT, como de la autoridad encargada de la

BNSF Engineering Instructions Field Manual, Allowable track surface vertical deviation

mantener las condiciones de servicio de la vía, garantizando el paso seguro de los trenes a una velocidad máxima

desviaciones verticales máximas de los carriles de 1/595 en sentido longitudinal y

muestra el efecto que el avance de la EPB tiene sobre los desplazamientos verticales

de EPB bajo zona de cruce, 1 de 4)

de EPB bajo zona de cruce, 2 de 4)

15

a nivel de túnel (VO).

l movimiento de avance de la EPB, se analizan

el BNSF muestra valores de

e cumplen los requerimientos de diseño

Por su parte, las máximas distorsiones

, como de la autoridad encargada de la

llowable track surface vertical deviation). Para

mantener las condiciones de servicio de la vía, garantizando el paso seguro de los trenes a una velocidad máxima

1/595 en sentido longitudinal y

tiene sobre los desplazamientos verticales inducidos en el

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(Modelo FLAC3D. Paso de EPB bajo zona de cruce,

(Modelo FLAC3D. Paso de EPB bajo zona de cruce,

Con respecto al resto de ‘outputs’ de FLAC

0,006% (Nivel de daños despreciable según el criterio de Burland

es mínima, adaptándose perfectamente

tensional del revestimiento no se ve superada

(Modelo Numérico FLAC3D. Tensiones de alcanzadas en el interior del revestimiento del

Los resultados del análisis FLAC3D para el

de EPB bajo zona de cruce, 3 de 4)

de EPB bajo zona de cruce, 4 de 4)

‘outputs’ de FLAC3D, indicar que la máxima deformación de tracción

según el criterio de Burland-Wroth y Boscardin-Cording)

perfectamente a los modos de deformación impuestos por el terreno

superada, ni por esfuerzos de tracción ni por esfuerzos de compresión

Tensiones de compresión

interior del revestimiento del BNSF)

para el Pike Street Adit, permiten extraer las siguientes conclusiones:

16

áxima deformación de tracción alcanzada es tan solo del

Cording). La apertura de las juntas

impuestos por el terreno. La máxima capacidad

esfuerzos de compresión.

las siguientes conclusiones:

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• El desplazamiento vertical máximo

debajo de los requerimientos técnicos

el asiento máximo se produce justo

(Cubeta de asientos a lo largo del trazado del túneldiferentes posiciones de la EPB)

• El diámetro vertical del túnel se incrementa

quebranto (hogging), éste se reduce

sobre el eje longitudinal, producido

• Las deformaciones de tracción, la apertura de

permanecen dentro de los límites admisibles

La principal conclusión del análisis es

túneles BNSF y Adit, no será necesario el uso de medidas

correcto funcionamiento de la tuneladora

de asientos, es el parámetro de pérdida de volumen (

asientos en superficie.

Conscientes de las limitaciones de la modelización numérica

constructivas, el equipo de diseño recom

túneles BNSF y Adit, principalmente en las zonas de influencia

debe procederse al sellado inmediato de las mismas

8.3 Paso de la EPB bajo el viaducto Alaskan W

Introducción

Describimos a continuación los aspectos más

99 bajo los pórticos del viaducto AWV (Pórtico

tridimensional mediante programa de cálculo

reducida del extremo inferior de los pilotes de cimentación del viaducto, es previsible que las afecciones sobre la

superestructura sean bastante significativas.

sacudidas del sismo de 2001, constituye un importante factor a tener en cuenta durante el

-500 -400 -300 -200 -100 0

Distancia desde Adit al eje de SR 99 (Pies)

desplazamiento vertical máximo (15 mm), así como las distorsiones angulares del revestimiento

requerimientos técnicos establecidos por WSDOT. Dado que los túneles se cruzan en perpendicular,

justo sobre el eje del SR 99.

trazado del túnel Adit. En función de las

se incrementa en la zona de arrufo (sagging). Por el contrario,

se reduce. Las convergencias horizontales del túnel muestran

producido durante el paso de la EPB.

la apertura de las juntas y las tensiones alcanzadas por

admisibles.

que, si la EPB opera dentro de los márgenes admisibles

necesario el uso de medidas secundarias de mitigación de asientos

tuneladora, así como del grado de acierto del modelo numérico

de pérdida de volumen (VL), que podría ser obtenido mediante la medición

de las limitaciones de la modelización numérica para la correcta estimación de

recomienda la realización de campañas visuales de auscultación en el interior de los

en las zonas de influencia del túnel SR 99. Si la apertura de

inmediato de las mismas.

EPB bajo el viaducto Alaskan Way (AWV)

aspectos más significativos del estudio realizado para caracterizar el paso

pórticos del viaducto AWV (Pórticos 91 al 103). Para ello, se desarrolla un completo

mediante programa de cálculo FLAC3D. Dado que el paso del túnel se produce a una distancia muy

el extremo inferior de los pilotes de cimentación del viaducto, es previsible que las afecciones sobre la

significativas. El estado de deterioro en el que se encuentra el vi

sismo de 2001, constituye un importante factor a tener en cuenta durante el proceso de

-0,6

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0,0

100 200 300 400 500

Des

plaz

amie

ntos

ver

tical

es (P

ulga

das)

Distancia desde Adit al eje de SR 99 (Pies)

Stage45 Stage65

Stage85 Stage125

17

revestimiento, se sitúan por

Dado que los túneles se cruzan en perpendicular,

or el contrario, en las zonas de

muestran un ligero efecto de torsión

alcanzadas por el revestimiento,

dentro de los márgenes admisibles a su paso bajo los

de mitigación de asientos. Un buen indicador del

del grado de acierto del modelo numérico FLAC3D para la predicción

obtenido mediante la medición “in situ” de los

la correcta estimación de la apertura de las juntas

la realización de campañas visuales de auscultación en el interior de los

apertura de las juntas es evidente,

realizado para caracterizar el paso del túnel SR

completo modelo numérico

se produce a una distancia muy

el extremo inferior de los pilotes de cimentación del viaducto, es previsible que las afecciones sobre la

deterioro en el que se encuentra el viaducto, tras sufrir las

proceso de diseño.

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18

(Vista general del viaducto Alaskan Way (AWV). Distrito financiero de Seattle, Estados Unidos)

Proceso de análisis

El proceso de análisis se divide en dos etapas:

• Fase 1: Análisis numérico FLAC3D para el cálculo de los movimientos del terreno generados por el paso de la EPB.

De esta manera podemos conocer los movimientos transmitidos a cada una de las pilas del viaducto.

• Fase 2: Análisis de las afecciones a la superestructura por efecto de los asientos inducidos por el túnel. Esta fase

de diseño se realiza mediante modelo estructural con programa SAP2000, que permite identificar el grado de

solicitación de los distintos elementos que componen la estructura.

Debido a que la estructura del viaducto AWV fue construida mediante elementos de hormigón armado ejecutados ‘in

situ’, ésta se compone de nodos rígidos. En consecuencia, las afecciones generadas por los asientos del terreno

podrían ser bastante significativas.

Este texto se centrará exclusivamente en la fase 1 del análisis, es decir, en la parte del estudio destinada a la predicción

de asientos mediante modelos numéricos tridimensionales FLAC3D. En esta fase se analiza cada una de las distintas

posiciones que adopta la EPB a su paso bajo el viaducto, pues los asientos diferenciales de las pilas podrían ser

mayores en alguno de los casos intermedios.

(Modelo numérico FLAC3D. Detalle de fases de excavación, o posiciones de la EPB analizadas)

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19

Medidas de contención de asientos

Las medidas de contención de asientos se agrupan en dos tipos:

• Operaciones primarias de la EPB: Aplicación continuada de presión de tierras en el frente, inyección de lodos

bentoníticos por la coraza del escudo e inyección de un compuesto bicomponente en cola.

• Medidas secundarias de mitigación de asientos: (a) Pantallas continuas dobles de micropilotes contrapeados de

acero API N80 de 177,8 mm de diámetro exterior y 11,5 mm de espesor, con una separación transversal entre

pantallas de 46 cm y con una separación longitudinal entre centros de micropilotes de 1 m, y (b) pantalla simple

vertical de pilotes de hormigón armado de 1,5 m de diámetro, con separación longitudinal entre centros de 1,93 m

(Pilotes pertenecientes a la estructura del SESMP).

(Modelo numérico FLAC3D. Detalle de situación de zapatas del viaducto y medidas de contención de asientos. Micropilotes de acero API N80, en Naranja. Pilotes de hormigón armado del SESMP, en Verde)

(Detalle de instalación de pantallas de micropilotes. Previo al paso de la EPB)

Modelización del viaducto

El modelo numérico FLAC3D incorpora los pórticos del viaducto 91 a 100, situados en la zona de cruce; también incluye

una distribución detallada de las cimentaciones del viaducto, constituidas por encepados rectangulares superficiales

situados en cabeza de pilotes, sobre los que descansan las pilas de los pórticos. La figura siguiente muestra los

diferentes tipos de grupos de pilotes:

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20

(Modelo numérico FLAC3D. Detalle de modelización de la superestructura y elementos de cimentación del viaducto AWV)

Para el desarrollo del modelo numérico FLAC3D, se consideran las siguientes propiedades de los pilotes: (a) longitud

total, (b) longitud del pilote dentro de cada uno de los terrenos, para poder definir la resistencia por fuste, y (c) las

características geométricas de la sección transversal.

La modelización detallada de este sistema estructural es importante, pues los grupos de pilotes de cimentación generan

un efecto regularizador de asientos en superficie.

Condiciones de excavación

El paso del túnel SR 99 bajo el viaducto AWV se produce entre el ST 210+00 y el ST 214+50. En esta zona la montera

de tierras sobre la clave del túnel SR 99 oscila entre los 23 y los 28 metros. El nivel freático se sitúa en superficie. La

excavación del túnel se realiza en terrenos sobreconsolidados, pasando a través de materiales tipo ESU 5 (Arenas y

gravas densas sin cohesión) en las zonas más superficiales, y a través de materiales tipo ESU 7 (Limos y arcillas

cohesivas de gran rigidez e impermeabilidad), en las zonas de mayor profundidad. Por encima de estas formaciones se

depositan los materiales normalmente consolidados, rellenos antrópicos y suelos granulares con mínima cohesión.

El modelo numérico realizado incluye una variación de las presiones de trabajo aplicadas en el frente, en función de la

zona en la que se sitúa la EPB.

Resumen de resultados

Como dijimos, el objetivo general del análisis es asegurar que las medidas de contención de asientos permiten el paso

seguro de la EPB bajo las cimentaciones del viaducto AWV. En caso contrario, sería necesario el refuerzo estructural de

los elementos más solicitados. La primera fase del análisis consiste en la estimación de los movimientos del terreno

generados por la construcción del túnel SR 99. Los resultados del análisis muestran un valor máximo de

desplazamiento vertical en las cimentaciones del viaducto de 2,38 cm; como era de esperar, este máximo se alcanza en

los elementos situados sobre el eje del túnel.

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21

(Modelo numérico FLAC3D. Movimientos verticales de las cimentaciones del viaducto AWV)

Cabe destacar que las máximas afecciones sobre el viaducto se generan, no por efecto de los desplazamientos totales,

sino sobre todo, por efecto de los desplazamientos diferenciales. Estos desplazamientos se definen entre pilas de un

mismo pórtico (transversales) y entre pilas contiguas en sentido longitudinal al viaducto (longitudinales). La siguiente

figura constituye una muestra gráfica evidente del efecto del avance de la EPB bajo el viaducto. Como se observa, los

máximos asientos diferenciales transversales, se generan bajo el pórtico 95, en la fase de excavación 140 de 180.

(Modelo numérico FLAC3D. Resultados del análisis de desplazamientos del terreno. Desplazamientos verticales diferenciales, en sentido transversal)

La siguiente figura muestra las cubetas de asientos en superficie correspondientes a la fase final del análisis, es decir,

tras el paso completo de la EPB bajo el viaducto. Cada cubeta está asociada a un pórtico. Los valores de pérdida de

volumen en superficie (VL), área de la cubeta de asientos, varían entre 0,24% y 0,38% del volumen teórico de

excavación. Los quiebros y formas “picudas” en las curvas de asientos se deben al efecto que generan las pantallas de

micropilotes de acero, actuando como barrera física para la contención de asientos.

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

De

spla

zam

ien

tos

ve

rtic

ale

s (p

ulg

ad

as)

Fase de excavación (Posiciones de la EPB)

DESPLAZAMIENTOS VERTICALES DIFERENCIALES (EN SENTIDO TRANSVERSAL)

BENT 91

BENT 92

BENT 93

BENT 94

BENT 95

BENT 96

BENT 97

BENT 98

BENT 99

BENT 100

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22

(Modelo numérico FLAC3D. Cubetas de asientos en superficie asociadas a cada pórtico del viaducto)

Los “outputs” del modelo numérico FLAC3D que representan los movimientos de las cimentaciones del viaducto

inducidos por el terreno, se utilizarán posteriormente como “inputs” del modelo estructural SAP2000, desarrollado para

conocer las solicitaciones sobre la estructura superficial del viaducto. En caso de que se superen los umbrales

admisibles, debe definirse el tipo de refuerzo estructural más adecuado para asegurar el paso de la EPB. Dado que el

viaducto será finalmente demolido tras la ejecución del túnel, el refuerzo diseñado debe garantizar la estabilidad de la

estructura únicamente a corto plazo; por ello se establece que el ratio “Demanda/Capacidad” sea menor, o igual, a 1,0.

Un buen indicador del grado de acierto del modelo numérico FLAC3D para la predicción de asientos, es el parámetro de

pérdida de volumen (VL). Este parámetro puede obtenerse mediante la medición “in situ” de los asientos en superficie.

9 AGRADECIMIENTOS

Los autores quieren agradecer al Departamento de Transportes del Estado de Washington (WSDOT), al diseñador

principal HNTB y al Consorcio Dragados USA-Tutor Perini, su apoyo y colaboración durante todo el proceso de diseño.

Los agradecimientos se extienden a los técnicos de Itasca Consulting Group (España); su apoyo en materia de

modelización numérica FLAC3D fue esencial para el análisis. Finalmente, expresar nuestro más sincero agradecimiento

a todo el equipo de diseño de Intecsa-Inarsa, especialmente a D. Ángel del Amo, D. Ángel Silvestre, D. Alberto

González y D. Antonio García, cuyos conocimientos técnicos y dedicación, fueron la clave del éxito del proyecto.

10 REFERENCIAS

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Page 23: TÚNEL URBANO DE LA RUTA ESTATAL 99 (SEATTLE, …TÚNEL URBANO DE LA RUTA ESTATAL 99 (SEATTLE, ESTADOS UNIDOS). ... DE ASIENTOS Y MEDIDAS DE MITIGACIÓN DE DAÑOS. Autores: Alejandro

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